4. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX ET DISCUSSIONS
4.3. Q UALIFICATION DES ECHANTILLONS
4.3.1. Mesure à l’analyseur de réseau
Tant pour la vérification de l’impédance caractéristique des lignes structurées et que pour les mesures des résistances de charges réalisées dans l’ITO, nous avons effectué des mesures de coefficients de réflexion en configuration 1-port (mesures de paramètre S11), avant de les convertir par calcul en mesures d’impédances.
Avant toute mesure, une première étape a consisté à calibrer l’analyseur, le but étant de prendre en compte les éventuelles erreurs de mesures dues aux sondes et aux câbles. Pour ce faire l’analyseur de réseau a été calibré au plan des pointes. La technique de calibration SOLT (SHORT – OPEN – LOAD – THRU), basée sur l’utilisation de quatre standards de
calibration parfaitement connus, a été utilisée avec une restriction aux trois standards SHORT – OPEN – LOAD (suffisants pour les mesures en réflexion).
4.3.1.1. Impédance caractéristique des lignes réalisées
Le dispositif de mesure ici est un échantillon spécifique métallisé ne contenant qu’une seule ligne CPW de 7.5mm de long, terminée sur une charge résistive de 50 et ayant les mêmes dimensions W et G que les électrodes de nos OLEDs. La mesure effectuée à l’autre extrémité de la ligne, et représentée sur la Figure 4.1a montre un nuage de points au centre de l'abaque de Smith. La trace de son module sur la Figure 4.1b révèle un coefficient de réflexion (ou paramètre S11) très faible (40dB).
(a) (b)
Figure 4.1 : Mesures du coefficient de réflexion sur une ligne CPW terminée sur une résistance de 50Ω
Idéalement, la réflexion doit être nulle pour une ligne d’impédance caractéristique 50. En comparaison avec nos mesures, nous pouvons valider que les lignes de nos électrodes réalisent bien une impédance caractéristique de 50.
4.3.1.2. Définition des plans de mesures d’impédances
Plusieurs plans de mesures ont été choisis comme illustrés sur la Figure 4.2 :
aux bornes de la résistance de charge intégrée (plan A, plan B) ;
Figure 4.2 : Plans de mesures d’impédances
La mesure d’impédance au plan A permet d’estimer la valeur de la résistance de charge. Au plan B, elle a pour but d’apprécier l’effet de la ligne sur la résistance globale de l’électrode, par comparaison avec la mesure obtenue au plan A. La mesure au plan C est effectuée lorsque cathode et anode sont en court-circuit ; combinée avec les mesures aux plans A et
B, elle permet d’estimer la contribution des lignes et surtout de la zone d’évidement dans la résistance série totale du circuit réalisé.
4.3.1.3. Résistance de charge intégrée
Sur la Figure 4.3a sont représentées dans le diagramme de SMITH les mesures de coefficient de réflexion effectuées dans les cas de substrats non métallisés. La mesure est effectuée directement aux bornes de la résistance de charge intégrée (Plan A) et un peu plus loin à l’autre bout de ligne (Plan B) 1.5mm. Chaque nuage de points sur le graphe représente les variations du coefficient de réflexion de la charge en fonction de la fréquence. Sur la Figure 4.3b sont représentées, dans des repères rectangulaires, les mêmes mesures converties en impédance et représentées en partie réelle (résistance) et partie imaginaire (réactance). L’impédance mesurée au Plan A est assimilable à une charge purement résistive et dépend peu de la fréquence. Sa valeur se situe autour de 35.85, bien loin de la valeur réellement dimensionnée que l’on a estimée à 11. Lorsque les pointes de la sonde de mesure sont positionnées au plan B, on observe une augmentation de la résistance qui passe à 51.49
et l’apparition d’une composante réactive inductive allant jusqu’à 10.40 pour les hautes fréquences. Ces écarts d’impédances observés par rapport aux prévisions de dimensionnement d’une part et d’autre part avec la position des pointes et la composante réactive peuvent évidemment se justifier par le caractère « mauvais conducteur » du film d’ITO qui entraîne des pertes ohmiques dans les conducteurs.
Les mêmes mesures sont réalisées dans le cas d’échantillons métallisés par une surcouche de Chrome/Or, Figure 4.4. Dans ces cas l’impédance est également assimilable à une charge purement résistive. La résistance mesurée dépend peu de la fréquence et reste la même dans les deux plans ; elle vaut 13.60, soit 23.6% de plus que la valeur dimensionnée de
11 . La réactance quant à elle est négligeable avec des fluctuations de faibles amplitudes entre 1 autour de zéro.
(a) (b)
Figure 4.3 : Mesures de la résistance de charge sur substrat non métallisé
(a) (b)
Figure 4.4 : Mesures de la résistance de charge sur substrat métallisé
On peut conclure de ces observations que la métallisation réduit l’effet résistif des lignes du circuit d’excitation, qu’elle diminue la marge d’erreur entre les prévisions théoriques de
conception et valeurs de résistance réalisée, et qu’elle est surtout indispensable si on veut contrôler rigoureusement le circuit d’excitation (ou de mesure).
4.3.1.4. Résistance série : contribution de la zone d’évidement autour de l’anode
Pour estimer la contribution de la zone d’évidement dans la résistance série, les mesures d’impédance similaires à celles du paragraphe précédents sont effectuées à l’entrée du circuit d’excitation sur le substrat métallisé, c'est-à-dire au plan C sur la Figure 4.2, lorsque l’anode et la cathode sont en contact direct de court circuit. Pour réaliser ce contact, nous avons évaporé la cathode directement sur le substrat structuré en omettant l’étape de dépôt des couches organiques. Trois groupes d’échantillons se différenciant par la largeur de leurs anodes sont étudiés dans ce cas.
Les résultats des mesures sont donnés sur la Figure 4.5. Pour les fréquences basses, la résistance en bout de ligne est estimée à 34.75, 52.04 et 103.85 pour les échantillons de largeur d’anode 100µm, 50µm et 25µm respectivement. Si on soustrait la résistance de charge estimée précédemment à 13.60, on obtient des valeurs de résistance (voir Figure 4.5) qui correspondent essentiellement à la zone d’évidement car la métallisation partout ailleurs permet d’annihiler la contribution des pistes.
Les écarts observés entre mesures et estimations théoriques peuvent s’expliquer par un excentrement de la position de la cathode sur l’anse de panier. En effet la valeur théorique de la résistance Rs induite par l’anode est maximale lorsque la cathode est parfaitement centrée sur l’anode ; elle peut être quasiment nulle en cas d’excentrement maximal.
On notera au passage un comportement inductif correspondant à une inductance estimée en moyenne à 1.85nH qui peut s’expliquer par la rupture d’impédance de ligne au niveau de la zone d’évidement. Quant à l’augmentation de la résistance avec la fréquence, elle peut être attribuée à l’effet de peau.
Tableau 4.2 : Estimation de la résistance série de l’anode
Echantillons
cc2a (100µm) cc2b (50µm) cc2c (25µm)
Résistance série totale
s C R R (mesurée) 34.75 52.04 103.85 Résistance de l’anode Rs (déduite de la mesure) 21.15 38.44 90.25 Résistance de l’anode Rs (estimation théorique) 024.38 048.75 097.50
4.3.1.5. Capacité et résistance série (OLED + circuit)
Rappelons avant toute chose que, vu des bornes d’excitation, l’ensemble formé de l’OLED proprement dite et de son circuit d’excitation peut être assimilé à un dipôle passif. Les mesures sont effectuées pour des OLEDs de différentes tailles déposées sur substrats métallisés. Les dimensions réalisées sont 100µm150µm, 50µm150µm et 25µm150µm. La variabilité porte sur la largeur de l’anode d’ITO, soit 25µm, 50µm ou 100µm tandis que celle de la cathode d’aluminium est fixe et vaut 150µm. La grandeur mesurée est le coefficient de réflexion (ou paramètre S11).
(a) (b)
Les traces obtenues ainsi que les courbes d’impédances qui en sont déduites sont consignées sur les Figure 4.6a et Figure 4.6b respectivement. On remarque de façon générale un comportement « RC série » du circuit pour les fréquences inférieures à 1.5GHz. Le R représenterait alors la résistance totale du circuit d’excitation et le C la capacité du modèle électrique de l’OLED. R et C sont estimés en exploitants les parties réelles et imaginaires des impédances équivalentes au paramètres S11 mesurés. La résistance série du modèle est par la suite obtenue en déduisant la résistance de mesure estimée précédemment (à
60 .
13 ) de la résistance totale R. Les valeurs moyennes sont données dans le Tableau 4.3.
Tableau 4.3 : Estimation de la résistance série et la capacité de l’OLED
Echantillons / tailles
ech2a ech2b ech2c
Taille de l’échantillon 100µm150µm 50µm150µm 25µm150µm
Résistance série totale
' s C R R (mesurée) 33.94 34.22 41.02 40.03 53.62 55.83 Résistance de l’anode ' s R (déduite de la mesure) 20.34 20.62 27.42 26.43 40.02 42.23 (pF) 4.22 5.21 1.94 1.93 1.28 1.33 Capacité (nF/cm2) 28.13 34.73 25.87 25.73 34.13 35.47 Le circuit est beaucoup plus résistif pour les échantillons de plus petites tailles, avec des valeurs qui rentrent bien dans les plages de prévisions théoriques. En revanche, c’est la tendance inverse avec la capacité qui est plus faible pour les plus petits échantillons. On note aussi que les valeurs estimées de capacité par unité de surface ne sont pas loin de la capacité géométrique théorique de l’OLED qui est de 28nF cm2 . Ces mesures seront, au besoin, introduites dans la suite au modèle électrique de l’OLED pour estimer d’autres grandeurs, notamment la valeur du courant réel responsable de l’électroluminescence dans l’OLED ainsi que la tension réelle à ses bornes.